馬志豪，劉 成，王 鑫，劉文斌，馬凡華

非道路用重型柴油機(jī)燃燒過(guò)程優(yōu)化

馬志豪1，劉 成1，王 鑫1，劉文斌2，馬凡華3

（1. 河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，洛陽(yáng) 471003；2. 河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司，洛陽(yáng) 471000；3. 清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

為了降低非道路用重型柴油機(jī)的有害物排放，該文對(duì)柴油機(jī)的燃燒室結(jié)構(gòu)、噴油策略進(jìn)行優(yōu)化。以一臺(tái)CHD234V8型高壓共軌直噴式柴油機(jī)為樣機(jī)，對(duì)整機(jī)優(yōu)化前后燃燒過(guò)程進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，柴油機(jī)缸內(nèi)油氣混合得到改善，缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力降低，有害物排放量減少；與優(yōu)化前相比，標(biāo)定工況和最大扭矩工況的燃油消耗率分別下降2.5%和6.2%，不透光煙度分別降低71.4%和67.9%；整機(jī)CO、(HC+NOx)、顆粒(PM)分別減少了33.9%、11.8%和73%，滿足非道路車輛的國(guó)三排放限值要求。該研究可為非道路用重型柴油機(jī)的排放控制提供參考。

柴油機(jī)；排放；優(yōu)化；非道路用重型柴油機(jī)；噴油策略；燃燒室

0 引 言

柴油機(jī)因熱效率高、動(dòng)力性能優(yōu)良，被廣泛應(yīng)用于工程、農(nóng)業(yè)等非道路移動(dòng)機(jī)械領(lǐng)域，功率范圍從十幾千瓦到幾百千瓦不等，但其同時(shí)也帶來(lái)了較高的NOx及碳煙（soot）排放[1-2]。近年來(lái)，為了防治非道路用柴油機(jī)污染物排放對(duì)環(huán)境的影響，中國(guó)政府制定了一系列嚴(yán)格的排放法規(guī)[3-4]，相較于國(guó)二排放標(biāo)準(zhǔn)各污染物限值都大幅降低，標(biāo)準(zhǔn)要求堪比國(guó)際上最為嚴(yán)格的美國(guó)EPA-IV[5]。為了應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，國(guó)內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)工作者對(duì)非道路用柴油機(jī)轉(zhuǎn)型升級(jí)做了大量研究工作。中國(guó)是典型的農(nóng)業(yè)大國(guó)，中小功率（＜75 kW）非道路用柴油機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有先天優(yōu)勢(shì)且應(yīng)用廣泛，大多學(xué)者都將研究重心轉(zhuǎn)移到了中小功率非道路用柴油機(jī)的轉(zhuǎn)型升級(jí)上[6]，導(dǎo)致重型柴油機(jī)滿足非道路國(guó)三排放限值可供參考的技術(shù)資料有限。非道路用重型柴油機(jī)技術(shù)更新慢，大部分機(jī)型還使用20世紀(jì)末期的2氣門技術(shù)路線，這給降低碳煙排放增加了一定難度。中小功率非道路用柴油機(jī)轉(zhuǎn)速較高（>2 000 r/min），為了降低碳煙排放，可通過(guò)組織進(jìn)氣渦流，加強(qiáng)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度,使油氣混合更加充分，以降低碳煙排放；而非道路用重型柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速較低（<2 000 r/min），進(jìn)氣氣流運(yùn)動(dòng)較弱，只能通過(guò)優(yōu)化燃燒室結(jié)構(gòu)加強(qiáng)擠流與逆擠流強(qiáng)度來(lái)降低碳煙排放，這進(jìn)一步增加了重型柴油機(jī)升級(jí)至非道路國(guó)三排放的難度。企業(yè)為了降低排放升級(jí)成本，其使用的技術(shù)路線常不包含后處理技術(shù)，僅通過(guò)機(jī)內(nèi)凈化措施來(lái)達(dá)到排放法規(guī)要求，這也給升級(jí)帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)[7]。因此開發(fā)低排放非道路用重型柴油機(jī)仍有相當(dāng)難度。

柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程是影響柴油機(jī)性能與排放特性的重要因素之一[8-9]，通過(guò)改善柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程能顯著降低原機(jī)排放。劉勝吉等[10]對(duì)一臺(tái)單缸直噴式非道路用柴油機(jī)進(jìn)排氣道、燃燒室空間結(jié)構(gòu)和噴油策略進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行油氣混合“數(shù)量、時(shí)間、空間”關(guān)系的協(xié)同匹配，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)低排放的高效燃燒，結(jié)果滿足非道路國(guó)三排放要求。馬志豪等[11]對(duì)一臺(tái)直噴式非道路用柴油機(jī)進(jìn)行燃料噴射系統(tǒng)、燃燒室結(jié)構(gòu)、配氣定時(shí)以及燃燒過(guò)程優(yōu)化，結(jié)果滿足非道路國(guó)三排放要求。尹必峰等[12]以一臺(tái)小型非道路單缸直噴式柴油機(jī)為研究對(duì)象，運(yùn)用CAE和CFD仿真模擬技術(shù)，對(duì)燃燒室、燃油供給系統(tǒng)參數(shù)與進(jìn)氣渦流參數(shù)進(jìn)行虛擬協(xié)同優(yōu)化，各項(xiàng)排放指標(biāo)滿足美國(guó)EPA第IV階段限值要求。以上研究多局限于農(nóng)業(yè)機(jī)械用小功率的中小型柴油機(jī)，而360 kW以上的船舶、工程機(jī)械用重型柴油機(jī)滿足非道路國(guó)三排放限值要求的研究尚未見報(bào)道。針對(duì)這一國(guó)內(nèi)空白，同時(shí)為了使該機(jī)型滿足非道路國(guó)三排放限值的要求，本文開展了燃燒室結(jié)構(gòu)、噴油策略對(duì)367 kW重型柴油機(jī)排放影響的試驗(yàn)研究，以期為非道路用重型柴油機(jī)滿足非道路國(guó)三排放要求的排放控制提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備與原機(jī)排放性能

1.1 試驗(yàn)原機(jī)與儀器

試驗(yàn)原機(jī)為CHD234V8型柴油機(jī)，其基本參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)中采用AVL公司生產(chǎn)的631型燃燒分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。采用AVL公司生產(chǎn)的SPC472顆粒物采集分析系統(tǒng)收集排氣中的顆粒物，在環(huán)境倉(cāng)中對(duì)收集到的顆粒進(jìn)行質(zhì)量稱量。采用AVL公司生產(chǎn)的AMAi60型氣體排放分析儀分析排放氣體中的氣體成分。采用啟東波峰公司生產(chǎn)的HZB2000型油耗儀測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量。采用AVL公司生產(chǎn)的439型不透光煙度計(jì)測(cè)量排放氣體煙度。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)基本參數(shù)

1.2 原機(jī)排放性能

優(yōu)化前，對(duì)原機(jī)進(jìn)行排放測(cè)試。試驗(yàn)按照非道路用柴油機(jī)8工況試驗(yàn)循環(huán)進(jìn)行排放測(cè)試，表2為8工況試驗(yàn)工況及加權(quán)系數(shù)[3]，圖1為原機(jī)的各工況排放測(cè)試結(jié)果。由圖1可知，標(biāo)定工況（工況1）下NOx排放量達(dá)到7.67 g/(kW·h)，CO為3.17 g/(kW·h)，不透光煙度為0.566 m-1；最大扭矩工況（工況5）下NOx排放量為5.98 g/(kW·h)，CO為3.19 g/(kW·h)，不透光煙度達(dá)到0.552 m-1。整機(jī)的CO、(HC+NOx)排放量經(jīng)過(guò)加權(quán)比換算分別為4.338和0.363 g/(kW·h)。通過(guò)顆粒物采集分析系統(tǒng)，用一對(duì)濾紙收集排放氣體中的顆粒，8個(gè)工況采集總時(shí)間為600 s[3]，每個(gè)工況采集時(shí)間通過(guò)加權(quán)比換算得到，最后用微量天平稱量濾紙總質(zhì)量，求出各工況的排放物顆?？傎|(zhì)量，根據(jù)非道路國(guó)三標(biāo)準(zhǔn)[3]求得顆粒排放量為2.156 g/(kW·h)。CO排放量低于限值，(HC+NOx)、PM排放量分別超出限值8.5%、81.5%，與國(guó)三排放標(biāo)準(zhǔn)要求還有較大差距?；贏VL Fire軟件，對(duì)原機(jī)燃燒室進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了燃燒室結(jié)構(gòu)對(duì)缸內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)及混合氣形成的影響，發(fā)現(xiàn)原機(jī)直口型燃燒室在壓縮上止點(diǎn)前后擠流強(qiáng)度不足，與當(dāng)前主流的低排放燃燒室結(jié)構(gòu)存在差距[13]，不利于降低NOx和顆粒物(PM)排放。因此，需對(duì)燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并重新與燃油噴射系統(tǒng)進(jìn)行匹配，調(diào)整噴油策略。

表2 原機(jī)試驗(yàn)工況及加權(quán)系數(shù)

圖1 原機(jī)的各工況排放測(cè)試結(jié)果

2 原機(jī)結(jié)構(gòu)與噴油策略優(yōu)化

2.1 燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了改善缸內(nèi)油氣混合條件，維持燃燒中后期的湍流強(qiáng)度，在維持原機(jī)燃燒室容積不變的條件下，將原機(jī)直口型燃燒室改為縮口型燃燒室[14]，并加強(qiáng)中央底部凸起，在活塞上行和下行時(shí)利用進(jìn)氣渦流形成較強(qiáng)的擠流和逆擠流，增大燃燒室內(nèi)的渦流保持率[15-18]。利用AVL Fire軟件計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，相較于直口型燃燒室，縮口型燃燒室增大了壓縮上止點(diǎn)前后燃燒室內(nèi)擠流和逆擠流強(qiáng)度，有利于燃油與空氣的充分混合，改善燃燒室內(nèi)燃油空氣混合質(zhì)量，能有效減少柴油機(jī)排氣煙度燃燒室優(yōu)化方案如圖2所示。燃燒室容積為95.466 mL。燃燒室喉口直徑d與氣缸直徑之比d/、燃燒室徑深比d/h用來(lái)定量描述優(yōu)化前后的燃燒室尺寸[19]。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，將d值由67mm(原機(jī))調(diào)整為66mm，值由29.6mm(原機(jī))調(diào)整為28mm，d/值由0.523(原機(jī))調(diào)整為0.516，d/h值由2.26(原機(jī))調(diào)整為2.35。

注：D為氣缸直徑，mm；dk為燃燒室吼口直徑，mm；h為燃燒室深度，mm。

2.2 冷卻系統(tǒng)管路優(yōu)化

由于原機(jī)的冷卻與增壓中冷為同一冷卻系統(tǒng)，使得柴油機(jī)冷卻液出口溫度與中冷后空氣溫度互相影響，無(wú)法使柴油機(jī)冷卻液溫度和中冷后空氣溫度同時(shí)達(dá)到最佳狀態(tài)，最終影響柴油機(jī)性能。為此，對(duì)原機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改造，將柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)管路與增壓中冷管路由原機(jī)的同一管路更改為互不干涉的2個(gè)管路，分別控制柴油機(jī)冷卻水和中冷后空氣溫度，圖3為冷卻系統(tǒng)優(yōu)化前后簡(jiǎn)圖。通常冷卻水出水溫度維持在85 ℃[20-22]，同時(shí)為了增加進(jìn)氣充量，改善缸內(nèi)燃燒，中冷后進(jìn)氣溫度通常維持在45 ℃[23]。

圖3 冷卻系統(tǒng)管路優(yōu)化前后簡(jiǎn)圖

圖4為不同工況下冷卻管路優(yōu)化前后燃油消耗率及煙度?？梢钥闯?，在標(biāo)定工況（工況1）下，排氣煙度由優(yōu)化前的0.562 m-1降為0.168 m-1，降幅70.1%；燃油消耗率由243.5 g/(kW·h)降為238.3 g/(kW·h)，降幅5.2%；最大扭矩工況（工況5）下，排氣煙度由0.492 m-1降為0.163 m-1，降幅32.9%；燃油消耗率由245.3g/(kW·h)降至240.4g/(kW·h)，降幅4.9%。優(yōu)化后排氣煙度大幅降低，燃油消耗率降幅較小。這是由于冷卻管路優(yōu)化后的冷卻水溫度較優(yōu)化前提高，使得缸內(nèi)傳熱溫差減小，傳熱損失降低；進(jìn)氣終了溫度下降使進(jìn)氣充量增加，改善了缸內(nèi)燃燒效率，使排氣煙度降低，經(jīng)濟(jì)性提高。

2.3 噴油策略優(yōu)化

柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒相位（以上止點(diǎn)為參考）與柴油機(jī)的性能（動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、污染物排放和噪聲）有著密切聯(lián)系，噴油定時(shí)、噴油壓力、噴油次數(shù)的變化是改變?nèi)紵辔坏挠行Х椒╗24-27]。利用電控高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)對(duì)噴油定時(shí)、噴油壓力、噴油次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行精確控制，達(dá)到控制燃燒時(shí)間分布（即預(yù)混燃燒時(shí)間和擴(kuò)散燃燒時(shí)間）的目的[28-30]。

NOx與碳煙（soot）排放之間存在Trade-off關(guān)系，為了同時(shí)兼顧兩者排放，試驗(yàn)過(guò)程中使用開放的ECU（electronic control unit）控制軟件，結(jié)合實(shí)測(cè)的污染物排放數(shù)值與缸內(nèi)壓力曲線，動(dòng)態(tài)調(diào)整主噴油定時(shí)和噴油壓力。若NOx排放太高，將噴油定時(shí)推遲并增加預(yù)噴射，此時(shí)碳煙排放增加，最大爆發(fā)壓力所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置遠(yuǎn)離上止點(diǎn)；若碳煙排放高，增大噴油壓力，此時(shí)NOx排放增加，最大爆發(fā)壓力升高。試驗(yàn)中結(jié)合實(shí)測(cè)的缸內(nèi)壓力曲線，根據(jù)最大爆發(fā)壓力及其所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角位置來(lái)確定噴油策略調(diào)整方向，噴油策略的優(yōu)化過(guò)程就是不斷調(diào)整噴油壓力與噴油定時(shí)，綜合考慮NOx與碳煙排放，取其折衷數(shù)值的過(guò)程。圖5為標(biāo)定工況下NOx排放隨主噴油定時(shí)的變化?？梢钥闯觯琋Ox排放量隨著主噴油定時(shí)向上止點(diǎn)后推遲而降低，這是因?yàn)閲娪投〞r(shí)推遲，噴油時(shí)刻燃燒室內(nèi)溫度升高，縮短了燃料的著火延遲期，預(yù)混燃燒比例下降，從而使缸內(nèi)燃燒溫度降低。NOx排放量隨噴油壓力升高而增加，這是因?yàn)楫?dāng)噴油壓力升高時(shí)，燃油噴射索特平均直徑SMD(sauter mean diameter)減小，噴油速率增大使單位時(shí)間內(nèi)噴油量增加，使滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣增多，從而使前期燃燒溫度升高，NOx排放量增加。由圖5還可看出，主噴油定時(shí)在上止點(diǎn)后時(shí)噴油壓力對(duì)NOx排放的影響較主噴油定時(shí)在上止點(diǎn)前明顯削弱，如主噴油定時(shí)在上止點(diǎn)前3 °CA，軌壓從100 MPa升高至110 MPa時(shí)NOx排放量增加43.25×10-6，而主噴油定時(shí)為上止點(diǎn)前7 °CA時(shí)NOx排放量增加124.19×10-6。原因是上止點(diǎn)后缸內(nèi)壓力和溫度較高，燃油在高溫環(huán)境中霧化速率加快，索特平均直徑SMD大小對(duì)燃油空氣混合氣形成的影響減弱。

圖4 不同工況下冷卻管路優(yōu)化前后燃油消耗率及煙度

為了同時(shí)兼顧碳煙與NOx排放，將標(biāo)定工況主噴油定時(shí)由原機(jī)的上止點(diǎn)前13.5 °CA推遲至上止點(diǎn)后2 °CA，增加預(yù)噴，預(yù)噴定時(shí)為上止點(diǎn)前20 °CA；最大扭矩工況主噴油定時(shí)由原機(jī)的上止點(diǎn)前10 °CA推遲至上止點(diǎn)后3 °CA，增加預(yù)噴，預(yù)噴定時(shí)為上止點(diǎn)前20 °CA，預(yù)噴油量1.5 mg。試驗(yàn)時(shí)冷卻水溫度由65 ℃(原機(jī))調(diào)整為85 ℃，進(jìn)氣平均溫度由65 ℃(原機(jī))調(diào)整為45 ℃。

注：轉(zhuǎn)速2 100 r×min-1，扭矩1 668 N·m。

3 燃燒過(guò)程對(duì)比分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了檢驗(yàn)柴油機(jī)優(yōu)化后（注：優(yōu)化后指柴油機(jī)燃燒室、冷卻系統(tǒng)管路以及噴油策略優(yōu)化匹配完成，原機(jī)指未優(yōu)化的柴油機(jī)，下同）的性能，對(duì)優(yōu)化后柴油機(jī)的燃燒過(guò)程開展試驗(yàn)研究。利用燃燒分析儀測(cè)取柴油機(jī)缸內(nèi)壓力和放熱率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線，并根據(jù)缸內(nèi)壓力計(jì)算缸內(nèi)平均燃燒溫度和壓力升高率。本文選取標(biāo)定工況和最大扭矩工況，從缸內(nèi)壓力、壓力升高率、缸內(nèi)燃燒溫度和放熱率方面對(duì)優(yōu)化后的柴油機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析。表3為優(yōu)化前后各工況試驗(yàn)參數(shù)。

表3 原機(jī)優(yōu)化前后各工況試驗(yàn)參數(shù)

注：“-”表示上止點(diǎn)后。

Note: “-“means after top dead center.

3.2 缸內(nèi)壓力

圖6為優(yōu)化前后標(biāo)定工況和最大扭矩工況下缸內(nèi)壓力曲線?？梢钥闯?，優(yōu)化后缸內(nèi)壓力曲線峰值與理論壓力線的峰值很接近，這是由于優(yōu)化后在上止點(diǎn)前噴油量較少（預(yù)噴1.5 mg），上止點(diǎn)附近缸內(nèi)燃燒溫度和壓力較低導(dǎo)致。優(yōu)化前后冷卻水溫度、進(jìn)氣平均溫度的變化使得優(yōu)化前后的壓縮過(guò)程線不重合。

標(biāo)定工況下，優(yōu)化后的柴油機(jī)缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力由12.65 MPa下降到10.72 MPa，較原機(jī)降低15.3%，最大爆發(fā)壓力所對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角由上止點(diǎn)后14 °CA變?yōu)樯现裹c(diǎn)后1 °CA，提前13 °CA；最大扭矩工況下，優(yōu)化后的缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力由12.47 MPa下降到10.85 MPa，較原機(jī)降低12.9%，最大爆發(fā)壓力所對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角由上止點(diǎn)后13 °CA變?yōu)樯现裹c(diǎn)后1 °CA，提前12 °CA；這是因?yàn)樵黾宇A(yù)噴以及推遲噴油時(shí)刻后，燃油滯燃期縮短，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量減少，柴油機(jī)預(yù)混燃燒比例下降，使得缸內(nèi)最高燃燒溫度和最高爆發(fā)壓力降低，NOx排放減少。

圖6 原機(jī)優(yōu)化前后標(biāo)定工況和最大扭矩工況下缸內(nèi)壓力曲線

圖7為優(yōu)化前后標(biāo)定工況和最大扭矩工況缸內(nèi)壓力升高率變化。由圖7可知，優(yōu)化后的壓升率峰值較原機(jī)都大幅降低，標(biāo)定工況下壓力升高率峰值由4.23（優(yōu)化前）下降到2.97 MPa/(°CA)，降低29.8%，壓力升高率峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角由上止點(diǎn)后1 °CA變?yōu)樯现裹c(diǎn)前13 °CA，提前14 °CA。最大扭矩工況下壓力升高率峰值由4.16（優(yōu)化前）下降到3.19 MPa/(°CA)，降低23.3%，壓力升高率峰值所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角由上止點(diǎn)后1 °CA變?yōu)樯现裹c(diǎn)前14 °CA，提前15 °CA。優(yōu)化后柴油機(jī)缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力與最高壓力升高率所在相位較原機(jī)都提前，一方面因?yàn)槿加蛧娚湎到y(tǒng)及燃燒室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及匹配（直口型燃燒室改為縮口啞鈴型燃燒室），在壓縮沖程后期，氣缸內(nèi)的空氣被壓入燃燒室內(nèi)，產(chǎn)生較強(qiáng)的氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度（擠流），有利于燃油卷吸周圍空氣，使燃油空氣混合更加充分，改善了原機(jī)燃燒室局部混合氣過(guò)濃的問(wèn)題。另一方面主噴油定時(shí)在壓縮上止點(diǎn)后，此時(shí)缸內(nèi)溫度較高，燃燒幾乎為定壓擴(kuò)散燃燒；預(yù)噴的增加使壓縮后期缸內(nèi)溫度提高，燃油滯燃期縮短，預(yù)混燃燒比例下降。幾種因素共同作用促進(jìn)了混合氣快速燃燒，使缸內(nèi)壓升率峰值降低，但峰值相位稍有提前提前。雖然缸內(nèi)壓升率峰值相位提前使上止點(diǎn)附近的缸內(nèi)壓力升高，但提前幅度較低，且預(yù)噴的作用占主導(dǎo)，缸內(nèi)壓升率峰值最終降低。壓升率峰值的下降能有效降低柴油機(jī)工作噪聲和振動(dòng)，提高柴油機(jī)的可靠性和壽命。改善原機(jī)燃燒室局部混合氣過(guò)濃還有利于降低碳煙（soot）和提高燃油經(jīng)濟(jì)性。在做功沖程活塞下行時(shí)，縮口型燃燒室有利于使燃燒室內(nèi)氣體外流到環(huán)形空間形成逆擠流，逆擠流的形成使混合氣進(jìn)一步與氣缸內(nèi)空氣接觸并氧化，進(jìn)一步降低碳煙生成量。

圖7 原機(jī)化前后標(biāo)定工況和最大扭矩工況下缸內(nèi)壓力升高率

3.3 缸內(nèi)平均燃燒溫度

將主噴油定時(shí)推遲到上止點(diǎn)后，柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程類似于定壓燃燒過(guò)程，既可以大幅降低上止點(diǎn)附近的放熱率，降低最高燃燒溫度和壓力，有效降低NOx排放。圖8為優(yōu)化前后標(biāo)定工況和最大扭矩工況缸內(nèi)平均溫度變化。圖中示出，優(yōu)化后柴油機(jī)做功膨脹后期氣缸內(nèi)平均溫度高于原機(jī)，燃燒污染物在活塞下行時(shí)繼續(xù)被氧化，對(duì)于降低碳煙（Soot）、HC以及CO排放十分有利。

圖8中示出，原機(jī)標(biāo)定工況缸內(nèi)最高燃燒溫度達(dá)到2 200 K，缸內(nèi)溫度高于1 800 K持續(xù)期為3.97 ms；而優(yōu)化后缸內(nèi)最高燃燒溫度為2 000 K，較原機(jī)降低了200 K；缸內(nèi)溫度高于1 800 K持續(xù)期為3.65 ms。原機(jī)最大扭矩工況缸內(nèi)最高燃燒溫度達(dá)2 400 K，缸內(nèi)溫度高于1 800 K持續(xù)期為7.72 ms；優(yōu)化后缸內(nèi)最高燃燒溫度為2 100 K，較原機(jī)下降300 K；缸內(nèi)溫度高于1 800 K持續(xù)期為7.19 ms。當(dāng)缸內(nèi)溫度超過(guò)1 800 K時(shí)會(huì)生成大量NOx，縮短缸內(nèi)溫度超過(guò)1 800 K的持續(xù)期能有效降低NOx排放。圖中最大扭矩工況缸內(nèi)1 800 K以上持續(xù)期約為標(biāo)定工況2倍，但據(jù)圖1、圖10所示，最大扭矩工況NOx排放與標(biāo)定工況相當(dāng)甚至更低，這是因?yàn)樽畲笈ぞ毓r過(guò)量空氣系數(shù)（1.6）較標(biāo)定工況（1.8）更低，缸內(nèi)氧含量限制了最大扭矩工況NOx的進(jìn)一步生成。缸內(nèi)最高平均溫度降低是由于推遲噴油定時(shí)至上止點(diǎn)后，預(yù)混燃燒比例減少所致。

圖8 原機(jī)優(yōu)化前后標(biāo)定工況和最大扭矩工況缸內(nèi)平均燃燒溫度

3.4 放熱率

本文將循環(huán)累計(jì)放熱量為總放熱量10%（CA 10）到90%（CA 90）所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角間隔定義為燃燒持續(xù)期，循環(huán)累計(jì)放熱量為總放熱量50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角定義為燃燒重心（CA 50）[8]，燃燒持續(xù)期和放熱率重心（CA 50）常用于定性描述燃燒放熱規(guī)律。CA 50和燃燒持續(xù)期與發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率、最高燃燒壓力以及能量流向等規(guī)律密切聯(lián)系[31]。

圖9為柴油機(jī)優(yōu)化前后標(biāo)定工況和最大扭矩工況下放熱率。預(yù)混燃燒是指放熱率曲線開始急劇上升點(diǎn)與達(dá)到曲線第一個(gè)峰值后開始下降點(diǎn)之間所對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角，預(yù)混燃燒占比指預(yù)混燃燒與燃燒持續(xù)期之比[19]。標(biāo)定工況下，優(yōu)化后的最高放熱率由3 055.5下降到2 680.3 kJ/(kmol·°CA)，降幅12.3%；燃燒持續(xù)期由28 °CA增加到39 °CA，預(yù)混燃燒占比由32.1%降低到23.1%。最大扭矩工況下，優(yōu)化后的最高放熱率由3 331.2下降到2 967.8 kJ/(kmol·°CA)，降幅10.9%；燃燒持續(xù)期由32 °CA增加到35 °CA，預(yù)混燃燒占比由28.1%降低到到25.1%。優(yōu)化后放熱率降低是由于推遲噴油時(shí)刻和增加預(yù)噴都使燃油滯燃期縮短，滯燃期內(nèi)形成的可燃混合氣數(shù)量減少，使柴油機(jī)預(yù)混燃燒占比較原機(jī)都有所降低，燃燒初期的放熱率大幅降低，缸內(nèi)最高燃燒溫度和壓力降低。優(yōu)化后的柴油機(jī)在上止點(diǎn)前放熱率很小，放熱率曲線在上止點(diǎn)后5 °CA才開始急劇上升，較原機(jī)遲后14 °CA，這是由于預(yù)噴油量較少（1.5 mg），且上止點(diǎn)前放熱量完全由預(yù)噴油量燃燒釋放，導(dǎo)致上止點(diǎn)前放熱率較原機(jī)大幅減小，有效的減少了NOx的生成量。優(yōu)化后的放熱率重心（CA 50）相較于原機(jī)愈加遠(yuǎn)離上止點(diǎn)，標(biāo)定工況與最大扭矩工況都遲后18 °CA；優(yōu)化后燃燒持續(xù)期都延長(zhǎng)，最大扭矩工況延長(zhǎng)3 °CA，標(biāo)定工況延長(zhǎng)11 °CA。與最大扭矩工況相比，標(biāo)定工況整個(gè)燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)主要是燃燒放熱后半期（CA50-90）延長(zhǎng)所致，因?yàn)樽畲笈ぞ毓r噴油量較多，燃燒放熱后半期缸內(nèi)燃燒溫度高，擴(kuò)散燃燒階段速率快，使得燃燒后半期持續(xù)時(shí)間縮短。當(dāng)燃燒重心CA 50遠(yuǎn)離上止點(diǎn)后，使燃燒定容度降低，導(dǎo)致熱效率有所降低。

注：CA10，CA50，CA90分別表示循環(huán)累計(jì)放熱量為總放熱量的10%，50%和90%。

3.5 整機(jī)排放性能

柴油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)、噴油策略及冷卻系統(tǒng)管路優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果表明，柴油機(jī)排放性能得到了提升。柴油機(jī)最大功率達(dá)到367 kW，最大扭矩達(dá)到2 000 N·m，滿足柴油機(jī)動(dòng)力性指標(biāo)要求。標(biāo)定工況下的燃油消耗率由237 g/(kW·h)下降到231 g/(kW·h)，降幅2.5%，不透光煙度由0.566 m-1下降到0.162 m-1，降幅71.4%；最大扭矩工況下燃油消耗率由226.7 g/(kW·h)下降到212.7 g/(kW·h)，降幅6.2%，不透光煙度由0.552 m-1降低到0.177 m-1，降幅67.9%。圖10和表 4為柴油機(jī)優(yōu)化后各工況排放測(cè)試結(jié)果。與原機(jī)排放性能（圖1）相比，各污染物排放量都有所降低，如原機(jī)標(biāo)定工況CO、NOx、HC分別為3.17、7.67、0.27 g/(kW·h)，優(yōu)化后分別為2.92、7.35、0.1 g/(kW·h)。由表 4可知，其中CO最大降低幅度為58.6%，HC為70%，NOx為56.8%。分析其原因，燃燒室結(jié)構(gòu)由直口型改為縮口型，加強(qiáng)了壓縮上止點(diǎn)前后燃燒室內(nèi)氣流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，使燃油混合更加充分，在降低碳煙排放的同時(shí)提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。優(yōu)化后冷卻水溫度基本維持在85 ℃，進(jìn)氣終了溫度維持在45 ℃，相較于優(yōu)化前，傳熱損失降低，燃油霧化質(zhì)量得到改善，進(jìn)氣充量增加提高了缸內(nèi)燃燒效率，改善了燃油經(jīng)濟(jì)性。

圖10 原機(jī)優(yōu)化后各工況排放測(cè)試結(jié)果

表4 優(yōu)化后各工況下排放物較原機(jī)的降低幅度

表5為優(yōu)化前后整機(jī)排放結(jié)果對(duì)比。其中CO和(HC+NOx)為整機(jī)加權(quán)比排放[3]結(jié)果，PM為按照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的整機(jī)顆粒物排放[3]?？梢钥闯觯珻O由原機(jī)2.156 g/(kW·h)降低到1.426 g/(kW·h)，降幅33.9%；(HC+NOx)由原機(jī)的4.338 g/(kW·h)下降到3.826 g/(kW·h)，降幅11.8%；顆粒(PM)由原機(jī)0.363 g/(kW·h)下降0.098 g/(kW·h)，降幅73%，整機(jī)污染物排放顯著降低，污染物排放滿足中國(guó)非道路第三階段排放限值要求。

表5 整機(jī)排放結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

本文對(duì)一臺(tái)CHD234V8非道路用重型柴油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)、噴油策略以及冷卻系統(tǒng)管路進(jìn)行優(yōu)化匹配，得出以下主要結(jié)論：

1）使用縮口啞鈴型燃燒室可以在壓縮上止點(diǎn)前后形成較強(qiáng)的擠流和逆擠流，加強(qiáng)缸內(nèi)空氣湍流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，使燃油與空氣混合更加充分，改善燃燒過(guò)程。

2）經(jīng)過(guò)燃燒室優(yōu)化匹配以及噴油策略的調(diào)整，CHD234V8型柴油機(jī)燃燒過(guò)程得以改善。與原機(jī)相比，標(biāo)定工況下最大爆發(fā)壓力下降15.3%，最大扭矩工況下最大爆發(fā)壓力下降12.9%；放熱率峰值也大幅降低，標(biāo)定工況下降幅為12.3%，最大扭矩工況下降幅為10.9%。

3）通過(guò)對(duì)CHD234V8型柴油機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)和噴油策略的優(yōu)化優(yōu)化匹配，整機(jī)排放性能得到大幅提升。標(biāo)定工況和最大扭矩工況下，柴油機(jī)燃油消耗率分別下降2.5%和6.2%，不透光煙度分別降低71.4%和67.9%；整機(jī)CO、(HC+NOx)、顆粒（PM）排放較原機(jī)分別減少33.9%、11.8%和73%。整機(jī)污染物排放滿足中國(guó)非道路用柴油機(jī)第三階段排放限值要求。

[1] 張相坤. 非道路移動(dòng)式機(jī)械用柴油機(jī)排放控制研究[D]. 青島: 青島大學(xué), 2017. Zhang Xiangkun. Research on Emission Control of Non-Road Mobile Mechanical Diesel Engine[D]. Qingdao: Qingdao University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[2] 劉勝吉, 匡欣, 王建. 非道路小型柴油機(jī)降低機(jī)油耗的研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 2016, 37(2): 116－120. Liu Shengji, Kuang xin, Wang Jian. A study of lubricating oil consumption reduction for the non-road small diesel engine[J]. Chinese Internal Combustion Engineering, 2016, 37(2): 116－120. (in Chinese with English abstract)

[3] 環(huán)境保護(hù)部, 國(guó)家監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第三、四階段)： GB20891-2014[S]. 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2014.

[4] 環(huán)境保護(hù)部, 國(guó)家監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅰ、Ⅱ階段): GB 20891-2007[S]. 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社, 2007.

[5] Us Environmental Protection Agency. Large engines certification data, NRCI certification data for 2015 MY[EB/OL].http//www.epa.gov/compliance-and-fuel-economy-data/engine-certification-data#large, 2016-01-10.

[6] 譚丕強(qiáng)，王德源，樓狄明，等. 農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放控制技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(7)：1－14. Tan Piqiang, Wang Deyuan, Lou Diming, et al. Current status and prospects of agricultural machinery pollution emission control technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 1－14. (in Chinese with English abstract)

[7] 白海，孟利清，何超，等. 非道路用柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)國(guó)Ⅲ排放的技術(shù)路線研究[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015，36(6)：193－196. Bai Hai, Meng Liqing, He Chao, et al. Technical study of Non-road diesel engine for stage III emissions[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2015, 36(6): 193－196. (in Chinese with English abstract)

[8] 陳貴升, 狄磊, 雷基林, 等. EGR和主噴定時(shí)對(duì)重型柴油機(jī)燃燒特性與排放的影響[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2015, 33(3): 210－216. Chen Guisheng, Di Lei, Lei Jilin, et al. Effect of EGR and main injection timing on combustion characteristics and emissions of heavy diesel engines[J]. Transactions of CSICE, 2015, 33(3): 210－216. (in Chinese with English abstract)

[9] Pradelle F, Braga S L, Martins F A, et al. Performance and combustion characteristics of a compression ignition engine running on diesel-biodiesel-ethanol (DBE) blends-Potential as diesel fuel substitute on an Euro III engine[J]. Renewable Energy, 2019, 136: 586－598.

[10] 劉勝吉, 王雪豐, 王建, 等. S1100柴油機(jī)滿足非道路國(guó)Ⅲ排放要求的試驗(yàn)[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2018, 36(3): 222-229. Liu Shengji, Wang Xuefeng, Wang Jian, et al. Experiment of S1100 diesel engine on meeting non-road stage III emission limits[J]. Transactions of CSICE, 2018, 36(3): 222－229. (in Chinese with English abstract)

[11] 馬志豪, 陳占耀, 賈義, 等. 小功率非道路用柴油機(jī)動(dòng)力、經(jīng)濟(jì)及排放特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2017, 33(21): 78-84. Ma Zhihao, Chen Zhanyao, Jia Yi, et al. Power, economy and emission characteristics of low power non-road diesel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(21): 78－84. (in Chinese with English abstract)

[12] 尹必峰, 黃晨春, 劉勝吉, 等. 高性能低排放小型非道路柴油機(jī)的開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012, 28(5): 32－38. Yin Bifeng, Huang Chenchun, Liu Shengji, et al. Development of small off-road diesel with high-performance and low emission[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(5): 32－38. (in Chinese with English abstract)

[13] 林學(xué)東, 王海軍, 萬(wàn)曉東, 等. 重型直噴柴油機(jī)縮口燃燒室結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2007, 38(3): 56-60. Lin Xuedong, Wang Haijun, Wan Xiaodong, et al. Structural features and evaluation of the contracted combustion chamber of heavy duty direct injection diesel engine[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2007, 38(3): 56－60 (in Chinese with English abstract)

[14] 潘劍鋒, 盧青波, 王謙, 等. 柴油機(jī)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬及燃燒室改進(jìn)[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2012, 33(4): 390－395. Pan Jianfeng, Lu Qingbo, Wang Qian, et al. Numerical simulation for combustion process of diesel engine and improvement of combustion chamber[J]. Joural of Jiangsu University: Natural Science Edition, 2012, 33(4): 390－395. (in Chinese with English abstract)

[15] Perini F, Zha K, Busch S, et el. Piston geometry effects in a light-duty, swirl-supported diesel engine: Flow structure characterization[J]. International Journal of Engine Research, 2018, 19(10): 1079－1098.

[16] 王錫斌, 馬志豪, 蔣德明. 燃燒室?guī)缀涡螤顚?duì)缸內(nèi)氣體流動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 2002, 23(2): 6-11. Wang Xibin, Ma Zhihao, Jiang Deming. Influence of combustion chamber geometry on in-cylinder flow field and engine performance[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2002, 23(2): 6－11. (in Chinese with English abstract)

[17] 趙昌普, 朱云堯, 楊俊偉, 等. 燃燒室形狀對(duì)增壓中冷柴油機(jī)燃燒和排放影響的數(shù)值模擬[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2013, 31(4): 318-323. Zhao Changpu, Zhu Yunyao, Yang Junwei, et al. Numerical simulation of the effect of combustion chamber shape on combustion and emissions of a turbocharged and intercooled diesel engine[J]. Transactions of CSICE, 2013, 31(4): 318－323. (in Chinese with English abstract)

[18] 郝靖. 柴油撞壁后噴霧特性對(duì)柴油機(jī)燃燒過(guò)程的影響[D]. 天津: 天津大學(xué), 2017. Hao Jing. Effect of Spray Characteristics of Fuel Bumping on Wall on Combustion Process of Diesel Engine[D]. Tianjin: Tianjin University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[19] 周龍保. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)第3版. [M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[20] 陳思南, 薛冬新, 周禛, 等. 某16缸中速柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)分析與優(yōu)化[J]. 內(nèi)燃機(jī)工程, 2015, 36(4): 133－139. Chen Sinan, Xue Dongxin, Zhou Zhen, et al. Analysis and optimization on cooling system of a 16-cylinder medium speed diesel engine[J]. Chinese Internal Combustion Engineering, 2015, 36(4): 133－139. (in Chinese with English abstract)

[21] 蔣紅美. 非道路高壓共軌柴油機(jī)冷卻水流動(dòng)特性分析[D]. 昆明: 昆明理工大學(xué), 2016. Jiang Hongmei. Analysis of Flow Characteristics of Cooling Water in Non-Road High Pressure Common Rail Diesel Engine[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2016. (in Chinese with English abstract)

[22] 朱楊. 船用柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2016. Zhu Yang. Simulation and Experimental Study on Marine Diesel Engine Cooling System[D]. Tianjin: Tianjin University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[23] 孫雅坤. 噴油策略和進(jìn)氣參數(shù)對(duì)船用柴油機(jī)燃燒和排放影響的研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2017. Sun Yakun. Study on the Influence of Fuel Injection Strategy and Intake Parameters on Combustion and Emissions of Marine Diesel Engines[D]. Tianjin: Tianjin University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[24] 魏亮. 高壓共軌柴油機(jī)噴油控制策略及排放特性研究[D]. 昆明: 昆明理工大學(xué), 2016. Wei Liang. Research on Fuel Injection Control Strategy and Emission Characteristics of High Pressure Common Rail Diesel Engine[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2016. (in Chinese with English abstract)

[25] Willyanto A, Wataru I, Chen Haoyu, et al. Investigation of intake pressure and fuel injection timing effect on performance characteristics of diesel engine[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019, 257(1): 1－8.

[26] Kumar K S, Raj R T . Effect of fuel injection timing and elevated intake air temperature on the combustion and emission characteristics of dual fuel operated diesel engine[J]. Procedia Engineering, 2013, 64(6): 1191－1198.

[27] 王慶新, 黃豪中, 史程, 等. 噴油正時(shí)和壓力對(duì)混合燃料燃燒影響的試驗(yàn)[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2017, 35(3): 200-207. Wang Qingxin, Huang Haozhong, Shi Cheng, et al. Effects of injection timing and pressure on combustion and Emissions on an engine fueled with Diesel/Gasoline/n-Butanol blends[J]. Transactions of CSICE, 2017, 35(3): 200－207. (in Chinese with English abstract)

[28] 劉勝吉, 韓維維, 曾瑾瑾, 等. 電控低壓噴射小型汽油機(jī)燃燒與排放特性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2016, 32(18): 92－97. Liu Shengji, Han Weiwei, Zeng Jinjin, et al. Analysis of combustion and emission characteristics of electronic controlled low pressure injected small gasoline engine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(18): 92－97. (in Chinese with English abstract)

[29] 楊昆, 歐陽(yáng)光耀, 常遠(yuǎn), 等. 可變噴油速率的超高壓共軌系統(tǒng)噴射控制研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程, 2017, 38(3): 68-73. Yang Kun, Ouyang Guangyao, Chang Yuan, et al. Research on injection control of extra high pressure common rail system with variable fuel injection rate[J]. Chinese Internal Combustion Engine Engineering, 2017, 38(3): 68－73. (in Chinese with English abstract)

[30] 韋雄, 冒曉建, 肖文雍, 等. 高壓共軌多次噴射系統(tǒng)油泵單元控制策略[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2010, 26(12): 120－124. Wei Xiong, Mao Xiaojian, Xiao Wenyong, et al. Control strategy of high pressure pump unit applied to high pressure common rail multiple injection system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(12): 120－124. (in Chinese with English abstract)

[31] 成曉北, 胡洋洋, 陳亮, 等. 重型柴油機(jī)部分預(yù)混壓燃模式的燃燒與排放特性[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào), 2014, 32(2): 111－118. Cheng Xiaobei, Hu Yangyang, Chen Liang, et al. Combustion and emission characteristics of partially premixed compression ignition mode of heavy-duty diesel engine[J]. Transactions of CSICE, 2014, 32(2): 111－118. (in Chinese with English abstract)

Optimization of combustion process for non-road heavy-duty diesel engines

Ma Zhihao1, Liu Cheng1, Wang Xin1, Liu Wenbin2, Ma Fanhua3

(1., 471003,; 2.,, 471000,;3.,,100084)

Due to its high thermal efficiency and excellent performance, diesel engine is widely used in non-road mobile machinery, such as engineering and agricultural industry, whose power ranges from a dozen to several hundred kilowatt. However, it also brings amounts of NOxand soot emissions. The problems caused by emissions from non-road diesel engine have widely drawn people’s attention. In recent years, Chinese government has also launched a series of stringent regulations to limit emissions from non-road engines, which can even be equivalent with the US EPA-IV, the most stringent emissions regulation in the whole world. In order to meet those harsh items of emissions regulation, all the engine manufacturers have to upgrade the products in a short time. At the same time, domestic and foreign internal combustion engine (ICE) experts have also carried out a lot of research related to the upgrading of non-road diesel engines. Small and medium power (< 75 kW) non-road diesel engines have innate advantages and wide applications in agricultural production. With the rapid development of after-treatment technology, such as diesel oxidation catalyst (DOC), diesel particulates filter (DPF), selective catalyst reduction (SCR), et al, the path to meet emissions regulations becomes more diverse. However, to meet the non-road stage IV emissions regulation, in addition to exhaust gas recirculation (EGR) and after-treatment technology, basic measurements (in-cylinder purification) must be used to reduce the raw emissions of engine. For the purpose of reducing raw emissions of the non-road heavy-duty diesel engine, experimental study was carried out on the in-cylinder combustion process of the diesel engine in this paper. CHD234V8 common rail direct injection diesel engine was used as a prototype. Through optimization design and matching of the diesel engine combustion chamber structure with fuel injection strategy, the quality of fuel and gas mixture in the cylinder was improved, the proportion of fuel impacting on the combustion chamber wall was optimized, and the maximum in-cylinder pressure was reduced. After the optimization of the diesel engine, the emission performance was greatly improved. Compared with the original engine, the specific fuel consumption at rated power and maximum torque conditions decreased 2.5% and 6.2%, and the smoke emission decreased 71.4% and 67.9%, respectively. CO, (HC+NOx), and particulate matters (PM) decreased 33.9%, 11.8%, and 73%, respectively. Emission performance of CHD234V8 diesel engine met the non-road stage III emissions regulation after optimization.

diesel engines; emissions; optimization; non-road heavy-duty diesel engine; fuel injection strategies; combustion chamber

2019-06-24

2019-07-01

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0700800）

馬志豪，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)燃燒與污染物排放控制。Email：mazhihao@haust.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.009

TK42

A

1002-6819(2019)-16-0078-09

馬志豪，劉 成，王 鑫，劉文斌，馬凡華.非道路用重型柴油機(jī)燃燒過(guò)程優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(16)：78－86. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.009 http://www.tcsae.org

Ma Zhihao, Liu Cheng, Wang Xin, Liu Wenbin, Ma Fanhua. Optimization of combustion process for non-road heavy-duty diesel engines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16): 78－86. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.009 http://www.tcsae.org